Azotowanie plazmowe: na czym polega, kiedy się opłaca i jakie ma zalety

Azotowanie plazmowe to proces obróbki cieplno-chemicznej, w którym azot wprowadza się w powierzchnię stali za pomocą wyładowania jarzeniowego w próżni, dzięki czemu powstaje twarda warstwa odporna na zużycie i zmęczenie, a rdzeń detalu zachowuje ciągliwość. Metodę wybiera się tam, gdzie liczy się dokładność wymiarowa, niewielkie odkształcenia i możliwość utwardzenia tylko wybranych fragmentów, np. kół zębatych, wałów, matryc i narzędzi do form wtryskowych. Poniżej wyjaśniamy, jak przebiega proces, czym różni się od azotowania gazowego i kąpielowego oraz dla jakich detali i materiałów warto go użyć.

Spis treści

1. Na czym polega azotowanie plazmowe
2. Jak przebiega proces krok po kroku
3. Azotowanie plazmowe a gazowe i kąpielowe
4. Zalety azotowania plazmowego
5. Ograniczenia i wady procesu
6. Zastosowania i materiały
7. Azotowanie plazmowe w Sacher
8. Azotowanie plazmowe - FAQ

Na czym polega azotowanie plazmowe

Proces odbywa się w szczelnym piecu próżniowym, w niskim ciśnieniu, w atmosferze azotu i wodoru. Między wsadem a ścianą pieca przykłada się wysokie napięcie. Detal pełni rolę katody, a ściana pieca anody. Gaz ulega jonizacji i powstaje plazma, czyli świecące wyładowanie jarzeniowe wokół detalu.

Jony azotu przyspieszają w polu elektrycznym i uderzają w powierzchnię detalu. Uderzenia oczyszczają ją z zanieczyszczeń i cienkich warstw tlenków, ogrzewają wsad, a azot dyfunduje w głąb materiału. W stali tworzy z żelazem i pierwiastkami stopowymi twarde azotki.

Efektem jest warstwa azotowana składająca się z dwóch stref: cienkiej warstwy związków na powierzchni i pod nią strefy dyfuzyjnej, w której azot jest rozpuszczony w stali lub tworzy drobne wydzielenia azotków. Skład gazu i parametry wyładowania pozwalają dobierać grubość i budowę tej warstwy do wymagań. Można np. ograniczyć warstwę związków albo ją pominąć, gdy detal ma pracować pod dużym obciążeniem.

Temperatura procesu mieści się zwykle między około 350 a 580°C, czyli znacznie niżej niż przy hartowaniu. Przy stalach ulepszanych cieplnie temperaturę azotowania dobiera się zwykle poniżej temperatury odpuszczania, dzięki czemu rdzeń detalu zachowuje swoje właściwości.

Jak przebiega proces krok po kroku

1. Przygotowanie detali. Powierzchnia musi być czysta i odtłuszczona, ponieważ zanieczyszczenia mogą powodować niestabilne wyładowania. Miejsca, które mają pozostać miękkie, zabezpiecza się mechanicznymi osłonami.
2. Załadunek i mocowanie. Detale układa się we wsadzie tak, aby wszystkie były prawidłowo podłączone elektrycznie i równomiernie ogrzewane.
3. Odpompowanie pieca. Po zamknięciu komory obniża się ciśnienie, a następnie wprowadza mieszaninę gazów procesowych, zwykle azotu i wodoru.
4. Nagrzewanie i czyszczenie jonowe. Po przyłożeniu napięcia powstaje plazma, która oczyszcza powierzchnię, aktywuje ją i ogrzewa wsad do temperatury procesu.
5. Wygrzewanie. Azot dyfunduje w głąb materiału. Czas zależy od gatunku stali i wymaganej głębokości warstwy i wynosi od kilku do kilkudziesięciu godzin.
6. Kontrolowane chłodzenie. Wsad stygnie w piecu w atmosferze gazu, po czym można go wyjąć w niskiej temperaturze. Dzięki temu odkształcenia są niewielkie.
7. Kontrola jakości. Po azotowaniu sprawdza się m.in. twardość powierzchni i wymiary detali.

Azotowanie plazmowe a gazowe i kąpielowe

Azotowanie plazmowe jest jedną z trzech najczęściej stosowanych metod. Poniższe zestawienie pokazuje główne różnice. Wartości są orientacyjne i zależą od gatunku stali oraz wymagań.

Głównym argumentem za metodą plazmową są kontrola budowy warstwy, możliwość azotowania w niskiej temperaturze i łatwe maskowanie.

Zalety azotowania plazmowego

• Wysoka twardość i odporność na zużycie. Twarda warstwa wierzchnia ogranicza ścieranie, zacieranie i zużycie zmęczeniowe. W stalach z chromem, molibdenem i wanadem twardość powierzchni może przekraczać 1000 HV.
• Niewielkie odkształcenia. Niska temperatura i powolne chłodzenie w piecu bez hartowania w ośrodku ciekłym sprawiają, że detale prawie nie zmieniają wymiarów. Często można je obrobić na gotowo przed azotowaniem.
• Kontrola budowy warstwy. Skład gazu, temperatura i parametry wyładowania pozwalają dobrać grubość warstwy i ograniczyć lub pominąć kruchą warstwę związków.
• Azotowanie wybranych miejsc. Fragmenty, które mają pozostać miękkie, zasłania się mechanicznie, bez galwanicznych powłok ochronnych.
• Równomierność na złożonych kształtach. Plazma otacza detal, więc proces sprawdza się przy złożonej geometrii, w tym przy otworach i rowkach.
• Szeroki zakres materiałów. Azotować można nie tylko stale konstrukcyjne, ale też narzędziowe, nierdzewne, żeliwo i stale spiekane.
• Mniejsze obciążenie środowiska. W procesie stosuje się azot i wodór zamiast amoniaku, a zużycie gazów jest niskie.

Ograniczenia i wady procesu

Azotowanie plazmowe nie jest rozwiązaniem na każdy detal. Trzeba wziąć pod uwagę kilka ograniczeń:

• Czystość powierzchni. Zabrudzenia mogą powodować niestabilne wyładowania łukowe, dlatego detale muszą być starannie przygotowane.
• Układ wsadu. Ilość ciepła zależy od powierzchni detalu, więc we wsadzie trudno łączyć bardzo różne kształty i wielkości. Detale trzeba tak rozmieścić, aby uniknąć przegrzewania wybranych miejsc.
• Materiał. Najlepsze rezultaty dają stale zawierające pierwiastki azotkotwórcze, takie jak chrom, molibden i wanad. W stalach niestopowych warstwa jest cieńsza i mniej twarda.
• Ograniczona głębokość warstwy. Azotowanie daje warstwę rzędu dziesiątek do setek mikrometrów. Przy bardzo dużych naciskach powierzchniowych może okazać się potrzebna inna metoda.
• Koszt. Instalacja próżniowa jest droga, a na opłacalność wpływa wielkość serii i wypełnienie pieca.

Zastosowania i materiały

Azotowanie plazmowe stosuje się przy częściach, które pracują pod obciążeniem mechanicznym i są narażone na ścieranie, zacieranie lub zmęczenie materiału. Typowe przykłady to:

• koła zębate, wały, osie i wałki rozrządu,
• elementy zaworów i wtryskiwaczy,
• ślimaki i cylindry wytłaczarek,
• formy do odlewania ciśnieniowego i wtrysku tworzyw sztucznych,
• matryce kuzienne oraz narzędzia do obróbki plastycznej na zimno.

Do azotowania nadają się przede wszystkim stale zawierające chrom, molibden, wanad lub aluminium, czyli pierwiastki, które tworzą twarde azotki. Metodę stosuje się też do stali narzędziowych, stali nierdzewnych, żeliwa i stali spiekanych. W przypadku stali nierdzewnych trzeba dobrać parametry tak, aby ograniczyć spadek odporności na korozję.

Dobrym kandydatem jest detal, który ma być wykonany na gotowo przed azotowaniem, ponieważ zmiany wymiarów po procesie są niewielkie.

Azotowanie plazmowe w Sacher

Azotowanie plazmowe wykonujemy we własnym zakresie, w ramach obróbki cieplnej Sacher. Łączymy je z obróbką skrawaniem, szlifowaniem, elektrodrążeniem i kontrolą jakości, więc detal przechodzi cały proces w jednym miejscu. Skraca to czas realizacji, ogranicza transport między zakładami i daje jednego wykonawcę odpowiedzialnego za efekt końcowy.

Typowa kolejność to obróbka zgrubna, ulepszanie cieplną, obróbka na gotowo, azotowanie i w razie potrzeby wykończenie powierzchni. Układ procesu dobieramy do materiału i wymagań rysunku.

Aby przygotować wycenę, prosimy o przesłanie:

• rysunku lub modelu 3D detalu,
• gatunku stali lub materiału,
• liczby sztuk i terminu,
• wymaganej twardości i głębokości warstwy, jeśli są określone,
• informacji, które powierzchnie mają pozostać nieazotowane.

Azotowanie plazmowe - FAQ

Czy azotowanie plazmowe zmienia wymiary detalu?

Azotowanie plazmowe zmienia wymiary detalu tylko w niewielkim, przewidywalnym stopniu. Ze względu na niskie temperatury i brak hartowania w ośrodku ciekłym odkształcenia są małe, dlatego często azotuje się detale wykonane już na gotowo.

Jaką twardość można uzyskać?

Twardość zależy od gatunku stali i parametrów procesu. W stalach z chromem, molibdenem i wanadem twardość powierzchni może przekraczać 1000 HV. Konkretną wartość potwierdzamy dla danego materiału.

Czym azotowanie różni się od nawęglania?

Nawęglanie wymaga nagrzania stali do wysokiej temperatury i hartowania, co zwykle powoduje większe odkształcenia. Azotowanie odbywa się w niższej temperaturze i nie wymaga hartowania po procesie.

Czy można azotować stal nierdzewną?

Tak, stal nierdzewną można azotować. Plazma usuwa cienką warstwę pasywną, a parametry procesu dobiera się tak, aby ograniczyć wpływ na odporność korozyjną.

Czy można azotować tylko część detalu?

Tak, można azotować tylko część detalu. Miejsca, które mają pozostać miękkie, zasłania się mechanicznymi osłonami.